永磁同步电机的控制策略

Shanghai university 永磁同步电机的控制 策略 永磁同步电机的控制 策略 杨影 上海大学自动化系 杨影 上海大学自动化系 20112011国际电源技术国际电源技术国际电源技术国际电源技术 创新论坛创新论坛创新论坛创新论坛 Shanghai university 0、引言、引言 1、梯形波永磁同步电动机的变频调速系统、梯形波永磁同步电动机的变频调速系统 2、正弦波永磁同步电机的矢量控制、正弦波永磁同步电机的矢量控制 3、正弦波永磁同步电机的直接转矩控制、正弦波永磁同步电机的直接转矩控制 4、小结、小结 Shanghai university A、永磁同步电机的结构、永磁同步电机的结构 0 引言 Shanghai university ?结构简单，运行可靠；结构简单，运行可靠； ?体积小 ，重量轻；体积小 ，重量轻； ?功率因数高，损耗少，效率高；功率因数高，损耗少，效率高； B、永磁同步电机的几个显著优点、永磁同步电机的几个显著优点 Shanghai university C 永磁同步电机的分类与性能对比永磁同步电机的分类与性能对比 根据转子磁场的空间分 布 根据转子磁场的空间分 布 梯形波永磁同步 电动机（ 梯形波永磁同步 电动机（BLDCM） 正弦波永磁同步 电动机（ ） 正弦波永磁同步 电动机（PMSM） 电机名称 比较项目 电机名称 比较项目 PMSMBLDCM 功率密度低较功率密度低较PMSM高高50% 力矩惯量化低较力矩惯量化低较PMSM高高50% 调速范围大小 单位电流产生的力矩小大 力矩脉动小大 调速范围大小 单位电流产生的力矩小大 力矩脉动小大 Shanghai university 1.梯形波永磁同步电机的控制梯形波永磁同步电机的控制 A. 梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电 路原理图 梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电 路原理图 Shanghai university B. 梯形波永磁同步电机反电动势、相电流和霍尔 信号波形 梯形波永磁同步电机反电动势、相电流和霍尔 信号波形 Shanghai university ?ASR和和ACR 均为带有积分 和输出限幅的 均为带有积分 和输出限幅的 PI调节器，调 节器可参照直 流调速系统的 方法设计。 调节器，调 节器可参照直 流调速系统的 方法设计。 C.梯形波永磁同步电动机调速系统梯形波永磁同步电动机调速系统 Shanghai university PWM逆变器输出电压逆变器输出电压 梯形波永磁同步电动机的 转矩脉动 梯形波永磁同步电动机的 转矩脉动 Shanghai university D.梯形波永磁同步电机的动态结构图梯形波永磁同步电机的动态结构图 Shanghai university E.梯形波永磁同步电机的无位置传感器控制梯形波永磁同步电机的无位置传感器控制 基于反电势的位置检测方案基于反电势的位置检测方案 ?基于反电动势过零点的转子位置检测基于反电动势过零点的转子位置检测 ? 续流二极管法续流二极管法 ?基于反电动势积分的转子位置检测基于反电动势积分的转子位置检测 ?基于反电动势三次谐波的转子位置检测基于反电动势三次谐波的转子位置检测 ?状态观测器法状态观测器法 ?基于磁链函数的转子位置检测方法基于磁链函数的转子位置检测方法 Shanghai university a e b e c e a i b i c i aR i bR i cR i 1 S 4 S 4 VD 1 VD 3 S 6 S 6 VD VD3 5 S 5 VD 2 S 2 VD dc V具有具有Y型电阻网的 永磁无刷直流电机 原理图 反电动势、反电动势 三次谐波分量与磁链 三次谐波分量相位关 系 型电阻网的 永磁无刷直流电机 原理图 反电动势、反电动势 三次谐波分量与磁链 三次谐波分量相位关 系 Shanghai university 理想的磁链函数波形与换相脉冲信号理想的磁链函数波形与换相脉冲信号 Shanghai university 3 永磁同步电机的矢量控制 dq坐标系下的数学模型坐标系下的数学模型 矢量控制原理矢量控制原理 矢量控制方法矢量控制方法 Shanghai university () epmd f sqs sd sds sdsq sq sqs sqsd sdsd sdmd f sqsq sq fmd sdff dsqsd sq d uR i dt d uR i dt L iL i Tn L i iLLi L i L i L ii =+ =+ =+ = =+ =+ d q A f s s I d i q i qqi L ddi L 永磁同步电动机空间矢量图永磁同步电动机空间矢量图 A、dq坐标系下的数学模型坐标系下的数学模型 Shanghai university B、永磁同步电动机矢量控制的基本原理、永磁同步电动机矢量控制的基本原理 当永磁体的励磁磁链和交直轴电感确定 后，控制和可以控制电动机的转矩。 一定的转速和转矩对应于一定和，通 过电流闭环控制，使实际电流跟踪给定值 实现电动机转矩和转速的控制。 当永磁体的励磁磁链和交直轴电感确定 后，控制和可以控制电动机的转矩。 一定的转速和转矩对应于一定和，通 过电流闭环控制，使实际电流跟踪给定值 实现电动机转矩和转速的控制。 d i q i * d i * q i Shanghai university C永磁同步电动机电流矢量的控制方法永磁同步电动机电流矢量的控制方法 控制控制 最大转矩最大转矩/电流控制电流控制 弱磁控制弱磁控制 0 d i = Shanghai university 常用于表面凸出式永磁同 步电机（ 常用于表面凸出式永磁同 步电机（控制就是最 大转矩/电流控制） 电动机可达到的最高电压 越大，输出转矩越小，则 最高转速越高。 电动机可达到的最高电压 越大，输出转矩越小，则 最高转速越高。 d q A f s s I d i q i qqi L ddi L 永磁同步电动机空间矢量图永磁同步电动机空间矢量图 0 d i = () epmd f sqsdsqsd sq Tn L i iLLi i=+ 0 d i = 控制控制 Shanghai university 的永磁同步电动机矢量控制系统简图的永磁同步电动机矢量控制系统简图0 d i = Shanghai university B、最大转矩、最大转矩/电流控制电流控制 凸极永磁同步电动机的恒转矩轨迹凸极永磁同步电动机的恒转矩轨迹 电动机最大转矩运行时的转折速度电动机最大转矩运行时的转折速度 d i q i 1 A 1 2 3 d i q i O Shanghai university 最大转矩最大转矩/电流控制系统简图电流控制系统简图 Shanghai university C、弱磁控制、弱磁控制 永磁无刷电机弱磁调速控制原理永磁无刷电机弱磁调速控制原理 () 2 2 () d qd df uL iL i=+ d i q i A C 1 2 B 1m T 2m T Shanghai university 基于直轴电流负反馈补偿控制的弱磁控制基于直轴电流负反馈补偿控制的弱磁控制 Shanghai university 4. 正弦波永磁同步电机的直接转矩控制正弦波永磁同步电机的直接转矩控制 PMSM DTC的基本思想的基本思想 PMSM DTC的系统结构图的系统结构图 PMSM DTC 与与IM DTC的区别的区别 Shanghai university A、PMSM DTC的基 本思想 的基 本思想 控制定子磁链幅值恒 定，改变定子磁链旋 转速度和方向来瞬时 调整转矩角，实现转 矩的动态控制。 控制定子磁链幅值恒 定，改变定子磁链旋 转速度和方向来瞬时 调整转矩角，实现转 矩的动态控制。 PMSM的矢量图 Shanghai university B、永磁同步电动机直接转矩控制系统结构图永磁同步电动机直接转矩控制系统结构图 Shanghai university 永磁同步电机直接转矩控制的开关表：永磁同步电机直接转矩控制的开关表：电 压空间矢量的选择须综合考虑当前磁链幅 值与转矩的要求。 Shanghai university C、PMSM DTC与IM DTC的区别 在在PMSM DTC中，需已知转子初始位置转 子的初始位置。以计算定子磁链初始值以 利电机起动。 中，需已知转子初始位置转 子的初始位置。以计算定子磁链初始值以 利电机起动。 零矢量的作用不同：在零矢量的作用不同：在IM DTC中零矢量用 于减小电机转矩，使得定子磁链矢量处在 前进和停顿交替的状态。在 中零矢量用 于减小电机转矩，使得定子磁链矢量处在 前进和停顿交替的状态。在PMSM中，施 加零矢量不一定会使 中，施 加零矢量不一定会使PMSM的转矩快速减 小。 的转矩快速减 小。 Shanghai university 4、小结、小结 对于梯形波磁场的永磁同步电动机，通过优化电机设计和 转矩脉动抑制控制减小转矩脉动，扩大应用范围。如何在 低速区检测转子位置还有待研究。 对于梯形波磁场的永磁同步电动机，通过优化电机设计和 转矩脉动抑制控制减小转矩脉动，扩大应用范围。如何在 低速区检测转子位置还有待研究。 矢量控制系统的优点是具有良好的转矩响应，精确的速度 控制，零速时可实现全负载，进而可获得类似于直流电机 的工作特性。为得到高性能的转矩和速度控制，转子空间 位置反馈装置是必须的。 矢量控制系